(57)【要約】【課題】垂直方向の間引き読み出しと画素加算を併用する駆動を行う固体撮像素子において、画素重心分布の均等化と色毎の平均露光時間の均等化を行い、色再現性を向上させる。【解決手段】Ｂａｙｅｒ配列のカラーフィルターを有する固体撮像素子の動画撮像時に、垂直方向に間引きして読み出す画素が互いに隣接しないようにするとともに、２以上のＢ画素を加算した画素重心と、２以上のＲ画素を加算した画素重心との距離が等間隔で並ぶように読み出し対象の画素を設定する。また、ｎ（ｎは４以上）画素周期内で読み出し対象となる画素に対しそれぞれ他の系統に対して独立して駆動可能な読み出しゲートを設ける。【選択図】図１
2007124182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を有する画素が行列状に複数配置され、かつ前記複数の画素が列方向に交互に配列された第１の色系列と第２の色系列とに分けられており、さらに前記光電変換部で蓄積された信号電荷を読み出して転送する垂直ＣＣＤと、前記垂直ＣＣＤから転送された前記信号電荷を増幅部に転送する水平ＣＣＤとを少なくとも備えた固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子は、
前記垂直方向に間引きして選択された読み出し対象となる２以上の前記第１の色系列の画素からの信号を読み出して前記垂直ＣＣＤ内で加算し、前記垂直方向に間引きして選択された読み出し対象となる２以上の前記第２の色系列の画素からの信号を読み出して前記垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有しており、
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および読み出し対象となる前記第２の色系列の画素は、加算後の色系列毎の画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、
前記垂直ＣＣＤは、前記駆動モードでの読み出しゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートを有し、当該４種類以上のゲートが前記２以上の前記第１の色系列の画素および前記第２の色系列の画素にそれぞれ対応して設けられていることを特徴とする固体撮像素子。
【請求項２】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および読み出し対象となる前記第２の色系列の画素は、互いに隣接しないよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素と読み出し対象となる前記第２の色系列の画素とで画素数が異なることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子の駆動方法であって、
露光開始から読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および前記第２の色系列の画素からの信号読み出しまでの時間を各々の画素で異なるようにして、加算対象となる前記第１の色系列の画素に関する平均露光時間と前記第２の色系列の画素に関する平均露光時間とを同じになるように設定することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。
【請求項５】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素からの信号読み出し回数かあるいは読み出し対象となる前記第２の色系列の画素からの信号読み出し回数かもしくはその両方の回数を選択的に制御して色再現性を調整することを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項６】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素の露光時間と画素加算後の平均露光時間との時間差が、
読み出し対象となる前記第２の色系列の画素の露光時間と画素加算後の平均露光時間との時間差よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載の固体撮像素子の駆動方法。
【請求項７】
撮像装置の駆動信号を生成する駆動タイミング生成手段と、
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体撮像素子と、
前記駆動タイミング生成手段からの駆動信号を前記固体撮像素子が動作し得る駆動電圧レベルに変換する駆動電圧生成手段と、
前記固体撮像素子の画像出力信号に対して基準黒レベルを減算した信号を生成・出力するＣＤＳ手段と、
前記ＣＤＳ手段の出力であるアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換するＡＤ変換手段と、
前記デジタル画像信号を受けて増幅信号を出力する増幅手段と、
前記駆動タイミング生成手段から入力されるタイミング情報およびシステム制御手段から入力されるピクセルゲイン動作のオン／オフ制御信号に応じてゲイン設定信号を前記増幅手段に対して出力するピクセルゲイン制御手段と、
前記増幅信号とシステムでの設定をもとに画像処理を行う信号処理手段と、
前記信号処理手段に対して画像処理設定信号を出力し、前記ピクセルゲイン制御手段に対してピクセルゲイン動作オン／オフの制御信号を出力し、前記駆動タイミング生成手段に対して駆動モード等のタイミングを制御する信号を出力するシステム制御手段と、を少なくとも備え、
前記増幅手段は前記ピクセルゲイン制御手段より入力されるゲイン設定信号に応じて前記デジタル画像信号に対して画素毎に信号の増幅／減衰を行うことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
ピクセルゲイン動作がオンのときは、前記固体撮像素子の各画素からの前記デジタル画像信号に対してゲイン設定信号を変えて画素毎にゲインを切り替えてデジタル画像信号を増幅することを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記ゲインの切り替えは所定の色に対応する画素に対して行われることを特徴とする請求項８に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子およびその駆動方法と撮像装置に関し、特にフォトダイオードから読み出した画素を加算する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な固体撮像素子であるＣＣＤの構成模式図を図８に示す。図８（ａ）は全体の構成であり、図８（ｂ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤのゲートとの関係を示した図であり、図８（ｃ）はフォトダイオード上に配置されたカラーフィルターの配列の一例を示した図である。
【０００３】
レンズ等（図示せず）によって集光された光が行列状に配置された画素に各々設けられたフォトダイオード８００に入射して信号電荷に変換される。通常、フォトダイオード８００からの電荷読み出しは行毎に行われる。
【０００４】
この信号電荷は垂直ＣＣＤ８０１内で順次転送されて水平ＣＣＤ８０２に到達する。その後、水平ＣＣＤ８０２内で転送されてアンプ８０３で増幅されて画素信号として出力される。
【０００５】
垂直ＣＣＤ８０１では転送チャネル上に絶縁膜を介して複数の駆動ゲート８０４が列方向に配置されている。図８（ｂ）に示したように一つのフォトダイオード８００に対して２つのゲートが設けられており、一方が読み出しゲート、他方が転送ゲートである。
【０００６】
この例では印加される信号がそれぞれ異なる６本のゲートが周期的に並んでおり、φＶ１、φＶ３、φＶ５に対応する４種類のゲートが読み出しゲートであり、φＶ２、φＶ４、φＶ６に対応するゲートが転送ゲートである。読み出しゲートに高電圧を印加してフォトダイオード８００から信号電荷を読み出し、φＶ１〜φＶ６に対応するゲートに異なるタイミングで信号を印加して、図面の上方から下方に向かって電荷を移動させる。
【０００７】
また、図８（ｃ）に示したのはＢａｙｅｒ配列と呼ばれる原色型カラーフィルターの配列であり、２×２画素を一単位としてＲ、Ｇ、Ｂのフィルターが配列されている。行毎に信号電荷を読み出した後、各行から得られた画素信号を処理してカラー信号を得る。
【０００８】
デジタルスチルカメラなどに実装される固体撮像素子は画素数が非常に多くなっている。また近年では、静止画撮影だけでなく動画撮影機能も必要となってきている。この機能は、例えば静止画撮影前のモニターモードで使用される。
【０００９】
静止画を撮影する場合には全画素から信号を読み出して使用するが、動画撮影を行う際は、全画素の中から一部の画素を間引いて読み出した信号を加算して見かけの画素数を減らす事によりフレームレートを高くする、いわゆる画素加算技術が一般的に用いられている。
【００１０】
さらに、近年では複数の駆動モード、例えば３０ｆｐｓのモードでの駆動と６０ｆｐｓのモードでの駆動の両方とも実現できるようにし、用途によりこれらを使い分けてセットとしての利便性を高めている。これらの場合、駆動モードに対応させて画素の間引き率を変えていることが多く、この理由について簡単に説明する。
【００１１】
一般的には得られた画像の解像度は高い方が良いが、３０ｆｐｓもしくは６０ｆｐｓあるいはそれ以上といった高いフレームレートを確保するために、多画素の固体撮像素子特にＣＣＤにおいては、垂直方向の解像度を落とす必要がある。その際に垂直方向の画素間引き読み出しと垂直方向の画素加算を併用している。
【００１２】
このとき得られる解像度、特に水平ライン数に関しては、スルー画像として使用する場合はＱＶＧＡ相当の２４０Ｈライン、記録動画用としてＶＧＡ相当の４８０Ｈライン程度が好ましいとされており、上述の垂直方向の画素間引きを行うにあたっては、上記の出力水平ライン数とフレームレートおよび固体撮像素子の動作特性を考慮した上で設計がなされるため、フレームレートの変化に応じて画素の間引き率を変化させることになる。
【００１３】
なお、画素使用率が低いとスミアと呼ばれる偽信号およびモアレと呼ばれる偽信号が現れやすくなるため、画素加算を行って信号の使用率を高くするのが一般的である。
【００１４】
画素を加算する場合には、加算後の画像において偽色の発生を防ぐために画素重心が均等に並ぶ様に加算対象の画素を選択する事が望ましい。図９に垂直方向の画素加算の一例を示す。図９（ａ）に示した画素加算の方が図９（ｂ）に示した場合よりも均等な画素重心分布になっており偽色が発生しにくい。
【００１５】
また、画素を加算する際には複数の画素信号を加算するため、１画素あたりの出力感度が擬似的に高くなるという特徴がある。これは画素加算を行う場合と行わない場合とを比較した時に画素加算を行った方が同一出力を得るために要する露光時間を短くすることが可能となるからである。
【００１６】
デバイス設計にも関連するが、垂直方向の画素加算時にフォトダイオードから垂直ＣＣＤへ複数回に分けて画素信号を読み出す場合が多い。このとき、上記のように感度が擬似的に高くなるため、読み出し対象となる画素の露光時間は全色系列間で一定時間に揃えるようにすることがより重要となる。ここで、例えば、図８（ｃ）に示したＢａｙｅｒ配列の１単位での上側の列行が（Ｇｂ−Ｂ）を第１の色系列とすると、下側の行（Ｒ−Ｇｒ）が第２の色系列にあたる。これらの色系列間で露光時間に時間差があると、シャッタ速度に依存して色分光に違いが発生するからである。
【００１７】
これについて図１０を用いて説明する。図１０はシャッタタイミングと信号読み出しタイミングとの関係を示した図であり、メカシャッタが閉じるタイミングと画素からの信号を読み出す信号が入るタイミングとの差が露光時間にあたる。
【００１８】
図１０（ａ）に示す低速度のシャッタ動作時には、露光時間が長いため、第１の色系列での露光時間と第２の色系列での露光時間との差は、露光時間そのものに対して小さいため問題にならないが、図１０（ｂ）に示す高速度のシャッタ動作時には露光時間そのものが短くなるため、色系列毎の露光時間差が影響し、出力画像の色再現性の劣化を引き起こす。
【００１９】
読み出し時の特性を均一にする必要もあって、複数種類の読み出しゲートを駆動させて全画素の露光時間を揃えることは実際には難しい面があり、従来は、加算対象画素の露光時間の総量を各色系列で一定に揃えることで見かけ上の露光時間の均等化を行う技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３４５１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、単に色系列毎に露光時間を揃えた場合には、以下に示す課題を生じる。
【００２１】
まず、前提として、間引き読み出し時の読み出し画素配置の問題がある。
【００２２】
多画素化した固体撮像素子は転送に要する動作が非常に多く転送時間が長くなる傾向にある。垂直ＣＣＤから水平ＣＣＤへの電荷転送は水平ブランキング（ＨＢＬＫ）期間中に行われるため、転送時間が長くなると、画面の走査期間であるＶレート期間におけるＨＢＬＫ期間の占める割合が大きくなる。
【００２３】
また、詳述しないが、画素加算を行うにあたって水平方向の画素加算を伴う場合は複雑な転送動作となるため、高フレームレートでの駆動時にはＨＢＬＫ期間が全体の駆動期間に占める割合が大きくなり、無視できなくなってくる。
【００２４】
このような場合に高フレームレートを確保するには、垂直方向の間引き率を上げるのが有効である。しかし、垂直方向の間引き率はＣＣＤの駆動相数や他の駆動モードで用いる垂直間引き率との相性があり、読み出し対象画素の配置が適切に行われない場合には、読み出し対象画素の配置及び読み出す順番に依存したフォトダイオードの飽和出力レベルの低下などの様々な課題が発生していた。
【００２５】
上記したフォトダイオード飽和出力レベルが低下する点に関してもう少し詳しく述べる。
【００２６】
フォトダイオードの光量と飽和出力との関係を図１１に示す。図１１（ａ）に示すように、フォトダイオードの出力は最初、光量に対して直線的に変化する（リニア領域）が、ある一定の光量を超えた部分からもとの直線からずれた特性に変化する（Ｋｎｅｅ領域）。フォトダイオードの飽和容量が等しく設計されている場合においてＫｎｅｅ領域での出力レベルはどの色成分の画素出力も等しくなる事が一般に知られている。
【００２７】
一方、読み出し対象となる画素が隣接している場合には、図１１（ｂ）に示すようにフォトダイオードの出力がリニア領域からＫｎｅｅ領域に変化する際、画素間で飽和レベルに差が表れるような場合がある。この原因としては、読み出し画素が垂直方向に隣接した状態で一方の画素に対して読み出しが行われると、隣接画素のポテンシャルに影響を与える結果、他方のフォトダイオード容量が一時的に減少してしまうためと考えられている。
【００２８】
一般的に現在のデジタルスチルカメラの分野ではリニア領域を使用している事が多く、上記した飽和出力レベルの低下が大きな問題になることはなかった。
【００２９】
しかし、画素としてのセルの微細化が進んでいくと、画素間の距離が短くなるため、信号読み出し時に隣接画素のポテンシャルに対して影響を与える度合いが強くなる、すなわち飽和出力レベルの低下度合いも大きくなるものと予測される。さら、画素の微細化によりフォトダイオードの飽和出力自体も今より低下するため、広いダイナミックレンジを確保するためにはリニア領域のみに留まらず、Ｋｎｅｅ領域の信号も利用する可能性が大きくなる。
【００３０】
よって、間引き読み出し時に、上記のようにＫｎｅｅ領域で画素により異なるＰＤ出力レベルを示すようだと画像処理において大きな負担が生じる。
【００３１】
また、上記課題を回避するために、単に読み出し画素を隣接させないように配置させるだけで加算画素の重心分布を考慮しないと、上述したように偽色の発生や、シャッタ時間に依存した分光特性の変動により良質な画像が得にくくなる、という問題が発生する。
【００３２】
一方、上記特許文献１では画素重心分布を均等にした場合に露光時間を揃える具体的な構成は何ら開示されていない。
【００３３】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、垂直方向に画素加算を行う事を考慮した撮影に対して、画素重心分布を均等に保ったまま露光時間差の発生も抑えることで良質な画像出力を得ることが可能な、また高フレームレートを実現できる固体撮像素子及びその駆動方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するため、本発明の固体撮像素子は、光電変換部を有する画素が行列状に複数配置され、かつ前記複数の画素が列方向に交互に配列された第１の色系列と第２の色系列とに分けられており、さらに前記光電変換部で蓄積された信号電荷を読み出して転送する垂直ＣＣＤと、前記垂直ＣＣＤから転送された前記信号電荷を増幅部に転送する水平ＣＣＤとを少なくとも備えた固体撮像素子であって、前記固体撮像素子は、前記垂直方向に間引きして選択された読み出し対象となる２以上の前記第１の色系列の画素からの信号を読み出して前記垂直ＣＣＤ内で加算し、前記垂直方向に間引きして選択された読み出し対象となる２以上の前記第２の色系列の画素からの信号を読み出して前記垂直ＣＣＤ内で加算する駆動モードを有しており、読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および読み出し対象となる前記第２の色系列の画素は、加算後の色系列毎の画素重心が垂直方向に均等に並ぶように配置され、前記垂直ＣＣＤは、前記駆動モードでの読み出しゲートとして、他の系統とは独立して駆動可能な４種類以上のゲートを有し、当該４種類以上のゲートが前記２以上の前記第１の色系列の画素および前記第２の色系列の画素にそれぞれ対応して設けられていることを特徴とする。
【００３５】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および読み出し対象となる前記第２の色系列の画素は、互いに隣接しないよう配置されていることが好ましい。
【００３６】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素と読み出し対象となる前記第２の色系列の画素とで画素数が異なることが好ましい。
【００３７】
本発明の固体撮像素子の駆動方法は、露光開始から読み出し対象となる前記第１の色系列の画素および前記第２の色系列の画素からの信号読み出しまでの時間を各々の画素で異なるようにして、加算対象となる前記第１の色系列の画素に関する平均露光時間と前記第２の色系列の画素に関する平均露光時間とを同じになるように設定することを特徴とする。
【００３８】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素からの信号読み出し回数かあるいは読み出し対象となる前記第２の色系列の画素からの信号読み出し回数かもしくはその両方の回数を選択的に制御して色再現性を調整することが好ましい。
【００３９】
読み出し対象となる前記第１の色系列の画素の露光時間と画素加算後の平均露光時間との時間差が、読み出し対象となる前記第２の色系列の画素の露光時間と画素加算後の平均露光時間との時間差よりも小さいことが好ましい。
【００４０】
本発明の撮像装置は、撮像装置の駆動信号を生成する駆動タイミング生成手段と、上記本発明の固体撮像素子と、前記駆動タイミング生成手段からの駆動信号を前記固体撮像素子が動作し得る駆動電圧レベルに変換する駆動電圧生成手段と、前記固体撮像素子の画像出力信号に対して基準黒レベルを減算した信号を生成・出力するＣＤＳ手段と、前記ＣＤＳ手段の出力であるアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換するＡＤ変換手段と、前記デジタル画像信号を受けて増幅信号を出力する増幅手段と、前記駆動タイミング生成手段から入力されるタイミング情報およびシステム制御手段から入力されるピクセルゲイン動作のオン／オフ制御信号に応じてゲイン設定信号を前記増幅手段に対して出力するピクセルゲイン制御手段と、前記増幅信号とシステムでの設定をもとに画像処理を行う信号処理手段と、前記信号処理手段に対して画像処理設定信号を出力し、前記ピクセルゲイン制御手段に対してピクセルゲイン動作オン／オフの制御信号を出力し、前記駆動タイミング生成手段に対して駆動モード等のタイミングを制御する信号を出力するシステム制御手段と、を少なくとも備え、前記増幅手段は前記ピクセルゲイン制御手段より入力されるゲイン設定信号に応じて前記デジタル画像信号に対して画素毎に信号の増幅／減衰を行うことを特徴とする。
【００４１】
ピクセルゲイン動作がオンのときは、前記固体撮像素子の各画素からの前記デジタル画像信号に対してゲイン設定信号を変えて画素毎にゲインを切り替えてデジタル画像信号を増幅することが好ましい。
【００４２】
前記ゲインの切り替えは所定の色に対応する画素に対して行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、固体撮像素子からの信号を間引きして読み出し、かつ画素加算を行う駆動モードにおいて、加算画素の重心を均等に確保するとともに読み出しタイミングの制御により露光時間を均等に揃えることができ、色再現性を向上できるとともに高フレームレートを確保できる。また、Ｋｎｅｅ領域での出力信号を利用できるため広ダイナミックレンジを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の固体撮像素子およびその駆動方法に関して図面を用いて説明する。
【００４５】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置を図１に示す。フォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を図１（ａ）に示し、垂直方向の間引き読み出し画素の配置を図１（ｂ）に示す。なお、本実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤは、図８に示した固体撮像素子中の８００、８０１に対応しており、基本的な動作は上述の通りである。また、カラーフィルターの配列は図８（ｃ）に示したのと同様である。
【００４６】
図１に示すように、各画素にフォトダイオードが配置されており、フォトダイオードのそれぞれに読み出し兼転送ゲートと転送ゲートの２本が配置されている。また、本実施の形態では、６相駆動のＣＣＤについて例示しており、φＶ１、φＶ３、φＶ５、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃ、φＶ５Ａ、φＶ５Ｃが読み出し兼転送ゲートに、φＶ２、φＶ４、φＶ６が転送ゲートに対応している。後述するように、このようなゲート構成にすることで各読み出し対象画素からの読み出しを４回に分けて行うことが可能となる。
【００４７】
この構成において、１２画素分を繰り返し単位として垂直２画素加算および垂直方向の間引きを行うことができる。このとき、読み出し対象画素であるＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４は、互いに隣接しないよう配置されており、同色系列であるＰＤ１とＰＤ２、及び他の同色系列であるＰＤ３とＰＤ４とからの信号電荷を垂直ＣＣＤ内でそれぞれ加算した後、ＰＤ１とＰＤ２の加算信号とＰＤ３とＰＤ４の加算信号を出力するものである。
【００４８】
また、垂直間引き動作時の読み出し対象であるＰＤ１〜ＰＤ４に対応して、他の系統と独立して駆動可能な読み出しゲートφＶ５Ａ、φＶ３Ａ、φＶ３Ｃ、φＶ５Ｃが設けられている。
【００４９】
また、垂直に並ぶ１２画素分の信号より２つの色系列の信号を出力する、いわゆる垂直１／６間引き駆動であり、図１（ｂ）に示すように読み出し対象の画素の中点に対して各中点同士の距離は等間隔、すなわち垂直２画素加算を行った後の画素重心が空間的に均等に並ぶよう間引き読み出し画素を配置している。
【００５０】
図２に本実施の形態の固体撮像装置における垂直加算及び間引き動作時のタイミングチャートを示す。
【００５１】
時刻Ｔ１でφＶ３ＣがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ３から第２の色系列の信号が読み出され、次に、時刻Ｔ２でφＶ５ＡがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ１から第１の色系列の信号が読み出される。時刻Ｔ３でφＶ３ＡがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ２から第１の色系列の信号が読み出され、次に、時刻Ｔ４でφＶ５ＣがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ４から第２の色系列の信号が読み出される。
【００５２】
また、ＰＤ３からの信号は、φＶ３Ｃに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ４→φＶ５→φＶ６→φＶ１→φＶ２→φＶ３→φＶ４と転送された後、φＶ５Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ４からの信号と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。同様に、ＰＤ１からの信号は、φＶ５Ａに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ６→φＶ１→φＶ２と転送された後、φＶ３Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ２からの信号と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。このように、１番目、２番目の読み出しで第２、第１の色系列の信号を一度ずつ、３番目、４番目の読み出しで第１、第２の色系列の信号を一度ずつ、計４回読み出し動作を行っている。  
【００５３】
上記したタイミングで画素からの信号読み出し及び加算を行うことにより、図２に示すように第１の色系列の信号読み出し時刻の中間点と、第２の色系列の信号読み出し時刻の中間点とは等しくなる。すなわち、第１の色系列の信号を加算した信号と、第２の色系列の信号を加算した信号とで、平均的な読み出し時間を等しくすることができ、色系列間で均等な露光時間を確保することが可能となり、シャッタ速度等に依存した色再現性の劣化を防止できる。さらに垂直方向での間引き読み出しおよび画素加算により高フレームレートを実現できる。
【００５４】
また、上述したように間引き読み出しを行う画素が互いに隣接しないように配置しているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがＫｎｅｅ領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを確保できる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置を図３に示す。フォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を図３（ａ）に示し、垂直方向の間引き読み出し画素の配置を図３（ｂ）に示す。
【００５６】
本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、第２の色系列であるＰＤ３、ＰＤ４の間に配置されたＰＤ５からも信号を読み出し、これをＰＤ３、ＰＤ４からの信号と加算して出力している点にある。ＰＤ３〜ＰＤ５は一つおきに配置され互いに隣接させないようにするとともに、図３（ｂ）に示すように読み出し対象の画素の中点に対して各中点同士の距離は等間隔、すなわち色系列毎に垂直画素加算を行った後の画素重心が空間的に均等に並ぶよう間引き読み出し画素を配置している点は第１の実施の形態と同じである。また、ＰＤ５に対応して、他の系統と独立して駆動可能な読み出しゲートφＶ１Ａが設けられている。
【００５７】
図４に本実施の形態の固体撮像装置における垂直加算及び間引き動作時のタイミングチャートを示す。
【００５８】
時刻Ｔ１でφＶ３ＣがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ３から第２の色系列の信号が読み出され、次に、時刻Ｔ２でφＶ５ＡがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ１から第１の色系列の信号が読み出される。時刻Ｔ３でφＶ１ＡがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ５から第２の色系列の信号が読み出され、時刻Ｔ４でφＶ３ＡがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ２から第１の色系列の信号が読み出され、次に、時刻Ｔ５でφＶ５ＣがＨｉｇｈレベルとなりＰＤ４から第２の色系列の信号が読み出される。
【００５９】
また、ＰＤ３からの信号は、φＶ３Ｃに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ４→φＶ５→φＶ６と転送された後、φＶ１Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ５からの信号と加算される。さらに、φＶ２→φＶ３→φＶ４と転送された後、φＶ５Ｃに対応するゲート下に読み出されたＰＤ４からの信号と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。同様に、ＰＤ１からの信号は、φＶ５Ａに対応するゲート下に読み出された後、垂直ＣＣＤ内をφＶ６→φＶ１→φＶ２と転送された後、φＶ３Ａに対応するゲート下に読み出されたＰＤ２からの信号と加算されて、さらに垂直ＣＣＤ内で転送されていく。このように、第２の色系列の信号を二度、第１の色系列の信号を一度、計５回読み出し動作を行っている。
【００６０】
上記したタイミングで画素からの信号読み出し及び加算を行うことにより、図４に示すように第１の色系列の信号読み出し時刻の中間点と、第２の色系列の信号読み出し時刻の中間点とは等しくなる。すなわち、第１の色系列の信号を加算した信号と、第２の色系列の信号を加算した信号とで、平均的な読み出し時間を等しくすることができ、色系列間で均等な露光時間を確保することが可能となり、シャッタ速度等に依存した色再現性の劣化を防止できる。また、第１の実施の形態と同様に高フレームレートを実現できる。
【００６１】
なお、ここで「読み出し対象画素の露光時間」とは、図１０に示した時間のことであり、「平均露光時間」とは、例えば、露光開始から時刻Ｔ１までの時間と、露光開始から時刻Ｔ４までの時間の平均値である。
【００６２】
また、上述したように間引き読み出しを行う画素が互いに隣接しないように配置しているので、隣接するフォトダイオードのポテンシャルの影響を除去でき、フォトダイオードの出力レベルがＫｎｅｅ領域となっても使用することができ、広いダイナミックレンジを確保できる。
【００６３】
また、本実施の形態によれば、第２の色系列の信号量を第１の色系列の信号量よりも大きくすることができ、相対感度の調節が可能となる。フォトダイオードの色感度の設定は製造プロセス等によって異なってくるため、例えば、ＲＧＢのうちＲの感度が低くなるよう設定されたフォトダイオードが使用される場合、上記のように読み出し信号量を相対的に増加させることにより、色再現性を向上させることができる。なお、信号量を相対的に変化させるだけであれば、第１の実施の形態に示した構成で、ＰＤ１かＰＤ２のいずれかのみを読み出すようにしてもよい。ただし、その場合全体の信号量が低下するため、感度は低下する。
【００６４】
また、これとは反対に第１の色系列の信号量を第２の色系列の信号量よりも低下させることも可能であり、例えば、第１の実施の形態でＰＤ３かＰＤ４のいずれかのみを読み出すようにし、本実施の形態ではＰＤ３〜ＰＤ５のうちいずれか一つのみを読み出すようにすればよい。間引き読み出し対象となる画素には独立して駆動可能なゲートを対応させているため、このような駆動も可能である。
【００６５】
以上のように上記した駆動方法によれば、色系列間で取り込む信号量を変化させることが可能となるが、このとき若干別の問題を生じる場合がある。
【００６６】
上記したように第１の実施の形態及び第２の実施の形態に示した固体撮像素子ではカラーフィルター配列としてＢａｙｅｒ配列を用いている。よって、第１の色系列は「Ｇｂ−Ｂ」で第２の色系列は「Ｒ−Ｇｒ」である。例えば、第２の実施の形態で示した駆動方法によれば、Ｇｂ出力に比べてＧｒ出力は１．５倍になり、通常の信号処理を行うとＧのバランスが崩れるおそれがある。
【００６７】
一方、図５に示す撮像装置によれば、固体撮像素子からの出力に対して画素単位でゲインを切り替えることができ、出力部でＧｒ出力のゲインを下げて出力を抑え込むことで、結果的にＲ出力のみ感度を上げる事が可能となる。
【００６８】
このことについて、図５を用いてさらに説明する。本実施の形態における撮像装置の構成例を図５に示す。
【００６９】
この装置の各部は以下のような機能を有している。まず、駆動タイミング生成手段５０１は、撮像装置の駆動信号を生成する。タイミングジェネレータが主に用いられる。
【００７０】
駆動電圧生成手段５０２は、駆動タイミング生成手段５０１からの駆動信号を、実際の固体撮像素子５０３が動作し得る駆動電圧レベルに変換する。Ｖドライバーが主に用いられる。
【００７１】
ＣＤＳ手段５０４は、固体撮像素子５０３の画像出力信号に対して、基準黒レベルを減算した信号を生成・出力する。
【００７２】
ＡＤコンバータに代表されるＡＤ変換手段５０５は、ＣＤＳ手段５０４の出力であるアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換する。
【００７３】
増幅手段５０６は、ピクセルゲイン制御手段５０７より入力されるゲイン設定信号に応じてデジタル画像信号に対して画素毎に信号の増幅／減衰を行い、増幅信号を出力する。
【００７４】
信号処理手段５０８は、増幅信号とシステムでの画処理設定を元に、画像処理を行う。ＤＳＰが主に用いられる。
【００７５】
ピクセルゲイン制御手段５０７は、駆動タイミング生成手段５０１から入力されるタイミング情報（画素情報）、システム制御手段５０９から入力されるピクセルゲイン動作のオン／オフ制御信号に応じて、ゲイン設定信号を増幅手段５０６に対して出力する。
【００７６】
システム制御手段５０９は信号処理手段５０８に対して画像処理設定信号を出力し、ピクセルゲイン制御手段５０７に対してピクセルゲイン動作オン／オフの制御信号を出力し、駆動タイミング生成手段５０１に対して駆動モードの指定その他タイミングに関連する制御信号を出力する。マイコン（ＭＣＵ）が主に用いられる。
【００７７】
この撮像装置の動作の特徴は、ピクセルゲイン動作オン時は、固体撮像素子の各画素からのデジタル画像信号に対してゲイン設定信号を変えて異なるゲインを設定する事ができる点であり、この信号を受けて増幅手段５０６は画素毎に増幅率を切り替えてデジタル画像信号を増幅する。
【００７８】
また、駆動タイミング生成手段５０１によって、信号が出力されるタイミング、及びその種類が設定されるため、所望の色に対して画素毎にゲインを設定することができ、特定の色に対する増幅率の調整ができる。
【００７９】
第２の実施の形態を例に取ると、固体撮像素子５０３の出力信号がＡＤ変換されたデジタル画像信号は、画素の加算を行わない場合と比較してＲとＧｒの感度が２倍、ＧｂとＢの感度が３倍になっており、ＢのＲに対する相対感度は１．５倍になっている。
【００８０】
固体撮像素子５０３への照射光における各色の強度がＲ：Ｇ：Ｂ＝１：１：１の比で表されるとした場合、デジタル画像信号の色成分比率は、Ｒ：Ｇｒ：Ｇｂ：Ｂ＝２：２：３：３となっており、ＧｒとＧｂの出力が異なる。
【００８１】
そこで、デジタル画像信号のＧｒ成分のみに対して、増幅率を１．５倍に設定し、他のＲ、Ｇｂ、Ｂに対して増幅率を１倍に設定すると、増幅手段５０６より出力される増幅信号の比率はＲ：Ｇｒ：Ｇｂ：Ｂ＝２：３：３：３となり、他の色と比較してＲの感度を相対的に抑えることができる。
【００８２】
また逆に上記デジタル画像信号におけるＧｂ成分のみに対して、増幅率を２／３倍に設定し、他のＲ、Ｇｂ、Ｂに対して増幅率を１倍に設定すると、増幅手段５０６より出力される増幅信号の比率はＲ：Ｇｒ：Ｇｂ：Ｂ＝２：２：２：３となり、他の色と比較してＢの感度を相対的に上げることができる。
【００８３】
なお、画素単位毎のゲイン切り替えを行うと出力信号に入り込んだノイズ成分も増幅または減衰されることになり、Ｓ／Ｎ比の点で見ると若干の問題はある。
【００８４】
一方、読み出し画素数を駆動タイミングによって切り替えるのみの方法によれば取り込む信号量が大きくなるため、上記の感度のＳ／Ｎ比の問題は低減される。
【００８５】
なお、第１および第２の実施の形態では６相ＣＣＤを例に取って説明したが、本発明はこの形態に限定されるものでなく、間引き動作時に独立して駆動できるゲートが４種類以上ある多相ＣＣＤにも適用できる。
【００８６】
本実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置の変形例を図６に示す。フォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を図６（ａ）に示し、垂直方向の間引き読み出し画素の配置を図６（ｂ）に示す。
【００８７】
この変形例は１０相ＣＣＤであり、垂直の間引き率が１／１０となっている。
【００８８】
第１の色系列のＰＤ１３〜ＰＤ１６を読み出すためのゲートがそれぞれφＶ１Ｃ、φＶ５Ｃ、φＶ９Ｃ、φＶ３Ｃに対応して設けられ、第２の色系列のＰＤ１０〜ＰＤ１２を読み出すためのゲートがそれぞれφＶ３Ａ、φＶ７Ａ、φＶ１Ａに対応して設けられており、間引き読み出し用として他の系統と独立して駆動可能な計７種類のゲートを備えている。
【００８９】
本変形例においても第１の色系列の加算画素信号の重心と第２の色系列の加算画素信号の重心との距離を等しくし、画素重心が均等に分布されている。
【００９０】
本変形例におけるタイミングチャートを図７に示しており、φＶ１〜φＶ６をＶＭレベルすなわち信号電荷の蓄積領域、残りのφＶ７〜φＶ１０をバリア領域としている。
【００９１】
この状態で、例えば、φＶ１ＣをＨｉｇｈレベルにして第２の色系列であるＰＤ１３の信号電荷を読み出した後、φＶ７、φＶ１、φＶ８、φＶ２の順にゲートへの印加電圧レベルを制御して蓄積領域を移動させ、φＶ３〜φＶ８を蓄積領域、φＶ９〜φＶ１０、φＶ１〜φＶ２をバリア領域としている。
【００９２】
以下、上記と同じ手順で読み出し動作と蓄積領域の移動制御を行い、時刻Ｔ１からＴ７にかけて、ＰＤ１０、ＰＤ１４、ＰＤ１１、ＰＤ１５、ＰＤ１２、ＰＤ１６の順に画素信号の読み出しを行っている。
【００９３】
本変形例によれば、画素の読み出し動作後に行う蓄積領域の移動量を全て等しくしているため、蓄積領域の移動後に行う画素読み出しのタイミングも等しくなっている。よって、時刻Ｔ１からＴ７における各読み出しタイミングの時間間隔が全て等しい。
【００９４】
このようなタイミングとすることで、第１の色系列の加算画素の平均露光時間と、第２の色系列の平均露光時間とを等しくすることができる。
【００９５】
なお、本変形例においても、読み出し対象画素に対する読み出し動作を選択的に設定する事で、各色系列の平均露光時間を揃えたままで、画素の加算比率を自由に切り替える事ができる。
【００９６】
例えば、ＰＤ１０〜１６のうち、ＰＤ１１、ＰＤ１３、ＰＤ１６の読み出しを行わないようにすれば、第１の色系列であるＰＤ１０とＰＤ１２との加算信号と第２の色系列であるＰＤ１４とＰＤ１５との加算信号の出力を得ることができる。
【００９７】
また、ＰＤ１４、ＰＤ１２、ＰＤ１６の読み出しを行わないようにすれば、第１の色系列であるＰＤ１０とＰＤ１１との加算信号と第２の色系列であるＰＤ１３とＰＤ１５との加算信号の出力を得ることができる。
【００９８】
なお、第１および第２の実施の形態において、第１の色系列における読み出し対象画素の露光時間と平均露光時間との時間差を第２の色系列における読み出し対象画素の露光時間と平均露光時間との時間差よりも小さくすることが好ましい。
【００９９】
ここで、「第１の色系列における読み出し対象画素の露光時間と平均露光時間との時間差」とは例えば図２に△で示した期間のことであり、「第１の色系列における読み出し対象画素の露光時間と平均露光時間との時間差」とは図２に//で示した期間のことである。
【０１００】
これらの差は実際には微小であるが、例えば高速シャッタを用いた撮影を行う場合では、これらの時間差が相対的に大きくなるため、第１の色系列と第２の色系列を比較すると、最も長い露光時間をもつ第２の色系列（例えば第１の実施の形態におけるＰＤ４）の残像特性よりも、第１の色系列の残像特性の方を良化させることができる。
【０１０１】
また、第１および第２の実施の形態において、原色系カラーフィルター配列のＢａｙｅｒ配列を例にとって説明したが、補色系カラーフィルター配列であってもよい。
【０１０２】
また、図５に示した撮像装置において、固体撮像素子５０３とＣＤＳ手段５０４と増幅手段５０５とが同一の基板上に形成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の固体撮像素子は、高フレームレートの撮像時にも色再現性が低下せず、静止画撮像および動作撮像機能を有する撮像装置に適用すると好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置を示す図であり、（ａ）はフォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を示す図、（ｂ）は垂直方向の間引き読み出し画素の配置を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態における固体撮像素子の間引き読み出し時のタイミングチャート
【図３】本発明の第２の実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置を示す図であり、（ａ）はフォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を示す図、（ｂ）は垂直方向の間引き読み出し画素の配置を示す図
【図４】本発明の第２の実施の形態における固体撮像素子の間引き読み出し時のタイミングチャート
【図５】本発明の第２の実施の形態における撮像装置の構成例を示す図
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるフォトダイオードおよび垂直ＣＣＤの駆動ゲート配置の変形例であり、（ａ）はフォトダイオードと駆動ゲートとの配置関係を示す図、（ｂ）は垂直方向の間引き読み出し画素の配置を示す図
【図７】上記変形例における固体撮像素子の間引き読み出し時のタイミングチャート
【図８】一般的な固体撮像素子であるＣＣＤの構成模式図であり、（ａ）は全体の構成図、（ｂ）は光電変換部であるフォトダイオードと垂直ＣＣＤのゲートとの関係を示した図、（ｃ）はフォトダイオード上に配置されたカラーフィルターの配列の一例を示した図
【図９】垂直方向の画素加算の一例を示す図
【図１０】シャッタタイミングと信号読み出しタイミングとの関係を示した図であり、（ａ）は低速度のシャッタ動作時を示す図、（ｂ）は高速度のシャッタ動作時を示す図
【図１１】フォトダイオードの光量と飽和出力との関係を示す図
【符号の説明】
【０１０５】
５０１  駆動タイミング生成手段
５０２  駆動電圧生成手段
５０３  固体撮像素子
５０４  ＣＤＳ手段
５０５  ＡＤ変換手段
５０６  増幅手段
５０７  ピクセルゲイン制御手段
５０８  信号処理手段
５０９  システム制御手段
８００  フォトダイオード
８０１  垂直ＣＣＤ
８０２  水平ＣＣＤ
８０３  出力アンプ
８０４  駆動ゲート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007124182.tif 000009
【図８】
2007124182.tif 000010
【図９】
2007124182.tif 000011
【図１１】
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【図１０】
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